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공학전문석사학위 연구보고서

알루미늄 소재의 수직 밀링 가공에서 엔드밀 공구의 칩 포켓

크기에 따른 절삭 성능 평가

Evaluation of Chip Pocket Size of End-mill Tool on Aluminum Cutting by Vertical

Milling

2018 년 2 월

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알루미늄 소재의 수직 밀링

가공에서의 엔드밀 공구의 칩 포켓 크기에 따른 절삭 성능 평가

지도교수 안 성 훈

이 리포트를 공학전문석사 학위 연구보고서로 제출함 2018 년 2 월

서울대학교 공학전문대학원 응용공학과

양 병 일

양병일의 공학전문석사 연구보고서를 인준함 2018 년 2 월

위 원 장 서 은 석 ( 인 )

부위원장 안 성 훈 ( 인 )

위 원 오 병 수 ( 인 )

위 원 ( 인 )

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초 록

기계 가공 분야에서 엔드밀과 드릴은 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 공구 의 부하를 확인하고 최소화시키기 위하여 노력되어 왔다. 하지만, 일반적으로 드릴은 구멍을 가공하는 공구로, 엔드밀은 형상을 만드는 공구로 주로 연구되 어 왔으며, 엔드밀을 드릴과 같이 수직 이송 가공하며, 공구의 절삭 부하를 줄 이기 위한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 엔드밀의 수직 이송 가공 에서 공구의 칩 포켓과, 절삭 날의 수에 따른 공구 부하를 확인하고, 현업에서 필요한 장비 수율을 향상 시킬 수 있으면서, 공구가 파손되지 않을 만한 공구 이송을 제안하는데 그 목적을 두고 있다.

먼저, 실험에 사용되는 가공 조건은 현장의 조건을 동일하게 가져와, 공구가 받는 부하를 확인할 수 있도록 프로그램 하였고, 시편의 재질 역시 현장에서 사용되고 있는 ALDC6.1 소재를 이용하여 제작하였다. 실험실에서 진행하였으 나, 가능한 한도 내에서 현장의 조건을 동일하게 가져와, 실험 결과를 현장에 적용할 수 있도록 노력하였다.

또한, 공구 동력계(Dynamometer)를 이용하여 엔드밀의 칩 포켓의 크기와 공 구의 날수가 수직 이송 가공에서 공구에 미치는 영향을 파악하고, 분산 분석 (ANOVA)을 이용하여, 실험한 결과 값이, 유의미한 데이터 인지를 확인하였다.

우리는 또한 현업에서 사용되고 있는 조건에서 좀 더 장비의 수율을 향상 시 킬 수 있는 작업 조건을 찾아, 제시하며, 실험실에서의 데이터를 현장으로 가져

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목 차

제 1 장 서론 ··· 1

제 1 절 연구의 배경 ··· 1

제 2 절 연구 동향 분석 ··· 2

제 3 절 연구의 목적 ··· 4

제 4 절 연구 목표 ··· 6

제 2 장 연구 방향 및 계획 ··· 7

제 1 절 연구 방향 설정 ··· 7

제 2 절 실험 계획 수립 ··· 8

제 3 장 가공 부하 실험 ··· 15

제 1 절 실험 방법 ··· 15

제 2 절 실험 결과 ··· 16

제 3 절 ANOVA 분석을 이용한 데이터 검증 ··· 29

제 4 절 산업 현장 적용 결과 ··· 35

제 4 장 결과 및 토론 ··· 36

제 1 절 결론 ··· 36

제 2 절 향후 과제 ··· 37

참고문헌 ··· 38

Abstract ··· 41

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표 목차

[표 1] 실험 조건표 ··· 8

[표 2] CNC 라우터 설비 사양 ··· 10

[표 3] 공구 동력계 사양 ··· 11

[표 4] 소재의 규격 ··· 13

[표 5] 칩 포켓의 크기별 실험 계획 ··· 16

[표 6] 공구의 날수에 따른 실험 계획 ··· 17

[표 7] 칩 포켓의 크기에 따른 공구 부하 비교 ··· 19

[표 8] 공구의 날수에 따른 공구 부하 비교 ··· 20

[표 9] 제품 제조 시간 계산 과정 ··· 21

[표 10] 공구 이송 속도에 따른 제품 제조 시간 변화량 ··· 22

[표 11] 공구 이송 속도별 평균 절삭 부하 ··· 28

[표 12] ANOVA 분석 요약표 – 공구의 날수에 따른 분석 ··· 30

[표 13] ANOVA 분산 분석 – 공구의 날수에 따른 분석 ··· 30

[표 14] ANOVA 분석 요약표 – 칩포켓의 크기에 따른 분석 ··· 31

[표 15] ANOVA 분산 분석 – 칩포켓의 크기에 따른 분석 ··· 31

[표 16] ANOVA 분석 요약표 – 공구 이송속도 차이에 따른 분석 ·· 32

[표 17] ANOVA 분산 분석 – 공구 이송속도 차이에 따른 분석 ··· 33

[표 18] 변경된 현장 가공 조건 ··· 34

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그림 목차

[그림 1] 실험 장치 개략도 ··· 9

[그림 2] 실험에 사용된 Router 설비 외부 ··· 10

[그림 3] 실험에 사용된 Router 설비 내부 ··· 10

[그림 4] 공구 동력계 ··· 11

[그림 5] NC Studio UI ··· 12

[그림 6] 시편 형상 ··· 13

[그림 7] 엔드밀의 측면 형상 ··· 14

[그림 8] 엔드밀의 날수에 따른 정면 형상 ··· 14

[그림 9] 공구의 칩 포켓을 변화시켜 가공한 결과 ··· 16

[그림 10] 공구의 날수를 변화시켜 가공한 결과 ··· 18

[그림 11] 칩 포켓의 크기에 따른 공구 부하 비교 ··· 19

[그림 12] 공구의 날수에 따른 공구 부하 비교 ··· 20

[그림 13] 공구 이송 속도가 50mm/min 일 때의 공구 부하 ··· 22

[그림 21] 공구 이송 속도별 절삭 부하 비교 ··· 26

[그림 22] 공구 이송 속도별 평균 절삭 부하 ··· 28

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제 1 장 서론

제 1 절 연구의 배경

기계 산업이 발달함과 같이 부품의 정밀도가 높아지고 있으며, 정밀도는 제 품의 청정도부터 시작한다고 할 수 있다. 특히 기계 가공에서의 청정도는 버 (Burr) 및 칩(Chip)의 처리를 말하며, 여기서 버는 제품을 가공한 뒤, 모서리 부분에 의도하지 않게 남아 있는 돌출되고 가공 시에 떨어지지 않는 부분을 말 하며, 칩은 제품을 가공하여 떨어진 부분을 말한다.

이러한 버나 칩이 제거되지 않게 되면, 부품이 조립된 후, 사용 되면서 제품 사이에서 부품 내 손상을 가져와 부품의 수명을 줄이고, 기계가 정상 동작을 할 수 없게 만들 수 있다. 하지만 제품이 가공된 이후 버를 제거하기 위해 디 버링 공정을 추가하거나, 작업자가 디버링을 실시하게 되어 제품 제조 공정의 생산에 소요되는 시간이 증가 되거나, 공구 또는 인력이 추가로 투입됨에 따라 제품의 원가 및 제품 생산 수율에 영향을 미칠 수 있는 요인이 늘어나고 있다.

이러한 원가 절감 및 생산 수율의 문제를 해결하기 위해서는 제품을 가공할 때 발생되는 버를 없애거나, 제품 생산 시간을 단축시켜야 한다. 하지만, 기계 가공 중에서도 재질에 따라 제품에서 발생하는 버의 수준이 다르며, 특히 알루 미늄은 버가 발생하기 쉬운 재질이기 때문에, 가공 중 발생하는 버를 없애는

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제 2 절 연구 동향 분석

가공하는 피삭재에 따라 공구의 재질을 초경 합금, Cermet, Ceramic, CBN, PCD 소결 등의 다양한 소재를 사용하고 있다. 이러한 절삭 공구는 분말 야금 을 이용해서 제작되는 공구들이며, 이런 공구들은 재종의 특성에 따라 강, 주 철, 비철, 고경도강 등의 다양한 피삭재를 가공하는데 사용된다. 현재로는 초경 이 일반적으로는 가장 많이 사용되며,[1] 알루미늄 가공에는 PCD와 같은 다이 아몬드 공구를 많이 사용하고 있는 추세이다.[2]

초경 공구가 아직 내마모성이나 가공 능률 등을 추구하는 측면에서는 가장 대중적으로 사용되고 있는 이유는 대부분의 절삭 공구들과 같이, 드릴도 중소 기업들이 각기 틈새시장을 공략하기 위한 독창적 개념과 사양에 대한 형상을 지니는 모델을 개발하는데 집중하고 있기 때문이다. 또한 PCD는 쉽게 파손되 는 성질이 있어 치수가 작은 공구나, 경도가 높은 소재에서는 사용하기 어려운 부분이 있다. 따라서 초경 공구에 다양한 재질의 코팅을 통해서 가공 성능을 향상 시키는 방법을 사용하기도 한다.[3, 4]

또한 공구의 절삭력과, 공구 수명에 관한 연구 역시, 다양한 방면으로 진행되 고 있다. 드릴링을 할 때 공구 부하량을 줄이고, 절삭 성능을 향상시키기 위하 여, 공구의 형상 역시 다양하게 변화되고 있다.[5]

국내의 기계 가공 현상을 보면, 제품 생산 기술자 뿐 아니라, 제품 설계자들 도 버에 대한 기본적인 이해가 부족하기 때문에, 버를 예방할 수 있는 형상을 설계하기가 어렵다. 버는 생산 공정에서 가능하면 발생시키지 않는 설계 및 가 공 순서를 가져갈 수 있도록 접근하여야 한다. [6]

그 방법으로는 공구뿐만 아니라 버의 발생을 억제하기 위해서 피삭재를 가공 하는 방법에도 다양한 변화를 줄 수 있다. 일반적으로는 절삭 가공 시 가공 온 도가 누적되어 고온의 공구와 피삭재 사이에서 응착, 구성인선(Built-up

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edge)가 발생하게 되며, 이를 최소화 할 수 있는 최적 조건을 정립하는 것이 필수적이다. [7] 온도와 마찬가지로 가공 깊이와 주축 회전수를 조절함으로써 공구가 받는 부하를 줄일 수 있다. 각 날 당 받는 1회 절삭량이 공구의 부하량 에 영향을 미치며, 주축 회전이 높을수록 잔류 응력과 표면 거칠기가 감소하며, 이송 속도가 작을수록 표면 거칠기가 감소하며 부하가 감소한다. 간단하게 1회 당 공구의 절삭량이 공구 부하에 영향을 준다고 볼 수 있다. 하지만 절삭량이 줄어들게 되면 가공시간이 길어지는 단점이 있을 수 있으므로, 공구의 절삭량 을 최적으로 맞추는 것이 좋다. [8]

공구의 조건 뿐 아니라 형상적 측면에서도 칩 배출과, 공구와 피삭재가 만 났을 때의 발생하는 하중에 의해 공구 마모 및 버가 발생할 수도 있다. [9] 이 러한 공구 형상적 문제를 해결하기 위해서 공구에서는 경사각이나 리드 각을 변경하여 가공에 맞는 공구조건을 설정하여 공구의 부하를 줄이기도 한다.

[10] 또한 드릴과 같은 공구에서는 나선 홈의 형상을 통해 칩 배출 및 절삭유 주입성을 향상 시키고 치즐부의 길이를 0에 가깝게 설정함으로써 선단부의 절 삭 저항을 감소시킬 수 있으며, 버 형성의 최소화를 위해서는 코너부의 날카로 운 날을 설계하기도 한다. [11]

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제 3 절 연구의 목적

D社는 표면처리 전문 기업으로써, 약 30년의 역사를 가지고 업계에 종사하 고 있다. 또한 표면처리 기술과 더불어 기계 가공 사업을 2010년 시작하여 7 년째 진행하고 있다. D社 에서는 자동차 연료 펌프에 사용 되는 부품의 가공을 전문으로 하고 있으며, 이 제품은 ALDC6.1 재질을 가공, 표면을 양극산화 처 리 하여 사용 되고 있다. ALDC6.1 소재는 Si 1%↓, Fe 0.6%↓, Cu 0.1%↓, Mg 2.6~4.0% (단위 : wt%)등의 구성으로 이루어져 있으며, 이는 알루미늄 합금 내 불순물이 적기 때문에 연성이 좋다.[12] 이러한 성질은 알루미늄 소재 가 공구에 들러붙는 구성인성의 발생을 야기 시키며, 구성인선은 피삭재의 가 공에 문제를 일으킨다. 물론 PCD 공구를 이용하고, 절삭유로 냉각을 시키는 등의 일련의 공정을 통하여 구성인선의 발생을 억제할 수 있으나, 상황에 따라 위의 2가지 공정을 사용하지 못하는 경우도 있다.

현재 D社 에서는 대부분의 선삭 및 형상 가공 공구를 PCD를 이용한 공구를 사용하고 있으며, 가공부위에 절삭유를 뿌리는 공정을 같이 진행하여 구성인선 의 발생을 억제하고, 공구의 부하를 감소시켜 절삭 공구의 수명을 증가시키는 행위를 하고 있으나, 제품의 엔드밀 가공부의 경우 직경이 작고, 깊이가 깊어 공구의 재질과 절삭유의 분사 두 가지 행위를 하지 못하고 있다.

이 제품의 엔드밀 가공부의 구멍 가공 시 공구의 재질과 절삭유의 미 분사로 인해서, 공구의 구성인선 발생 및 공구 수명이 일정하지 못한 현상이 발생하게 되고, 이는 제품에서 버가 발생하게 된다. 버는 연료펌프의 구동을 방해하여 연 료가 엔진으로 전달되는 것을 방해하는 역할을 하게 되므로 발생하여서는 안 되는 항목이지만, 절삭 가공 시 소성변형에 의해서 생길 수 있는 부분이다.

구멍 가공 시 발생하는 버는 입구 버와 출구 버로 분류할 수 있다. 입구 버 는 주로 소재에 공구가 진입할 경우 발생하는 버이며, 출구 버는 드릴의 관통 직전에 드릴이 남아 있는 피삭재를 밀어냄으로 발생하는 버를 말한다. 이 중에

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서 폐사에서 문제가 되고 있는 버는 출구 버 이다. 현재는 추가적인 디버링 공 정을 이용하여 버를 제거하고 있으나, 드릴링 공정과 더불어, 디버링 공정을 시 행함으로, 공정 시간이 약 5%(약 1.6초 수준)가 증가되어 생산량에 불리한 영 향을 미치고 있다. 하지만 앞서 말한 것과 같이 구멍 가공을 하는 공구의 수명 (버가 발생하는 시점을 수명의 끝으로 본다)이 일정하지 않기 때문에, 디버링 공정을 빼지 못하고 있다.

이 논문은 구멍 가공 공정에서 디버링 가공이 추가됨에 따라 발생되는 생산 수율의 감소를 개선하고, 공구의 수명을 일정하게 가져가 디버링 공정을 제거 할 수 있도록, 공구가 가공할 때 받는 부하량을 최소화하고, D社에서 사용하기 에 최적의 공구 및 가공 조건을 찾는 실험을 수행한다. 그리고 현재 상용화 되 고 있는 공구 제조 기술을 이용하여 ALDC6.1 소재의 구멍 가공에 최적화되는 공구의 조합 및 절삭 방법을 고찰하여 본다.

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제 4 절 연구 목표

이번 연구를 통하여 알루미늄 다이케스팅 제품을 가공하는 드릴링 공구에 대 해서 버가 발생하는 시점을 늦추고, 공구가 받는 가공 부하를 최소로 하는 방 법을 찾고, 실제 실험을 통해서 그 수준을 판단하고자 한다. 앞서 언급한 것과 같이, 다양한 연구자들이 버에 대하여 연구 하였지만, 나는 사내의 상황에 가장 잘 맞는 조건으로 그리고 회사에서 접목하기 쉽고 최적화된 방법을 찾으 며,[13] 공구의 형상 및 가공 조건에 따른 가공 부하에 대한 명확한 상관관계 를 도출할 수 있도록 한다. 또한 이렇게 제안하고 도출된 결과를 토대로 실제 공구를 제작하여, 사내에 적용하여 생산성 향상을 도모하고 제품의 불량 유형 을 감소시킬 수 있도록 한다.

이번 논문의 나머지 부분은 다음과 같은 구조로 이루어진다. 먼저 2장에서는 연구의 방향을 설정하고, 실험의 계획을 수립한다. 그리고 3장에서는 각 공구 에 따른 실험과 그에 따른 결과 값을 보여준다. 마지막으로 4장에서는 이번 논 문의 결론과 향후의 계획에 대해 논하기로 한다.

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제 2 장 연구 방향 및 계획

제 1 절 연구 방향 설정

공구의 부하량을 감소시키기 위해서, 절삭 가공 시 가공 부하를 낮출 수 있 는 공구의 형상을 검토 하여, 공구의 최적 조건을 정립할 필요가 있으며, 이러 한 최적 조건의 설정하여 가공 부하량을 개선하여야 한다. 또한 드릴과 같은 공구에서는 나선 홈의 형상이나, 코너부의 날카로운 날의 형상을 통하여 공구 부하를 개선할 수 있다. 연구의 방향을 설정하고, 범위를 좁히기 위하여 현장에 서 사용할 수 있는 조건의 최소값 및 최대값을 검토하여 초기 실험 계획을 수 립하였다. 실험은 공구의 날 수, 공구 칩 포켓의 크기, 공구의 이송 속도 와 같 은 조건을 구분하여 진행하며, 공구 동력계를 이용하여 구멍을 관통하며 발생 하는 공구 부하량을 측정할 수 있도록 수립한다.

사내에서 가공하는 제품에서 엔드밀을 이용한 드릴링 공정은, 지정되어 있는 프로그램에 의해서 6.1sec/hole의 속도로 가공된다. 이것은 1개의 제품을 가공 하는데 사용되어지는 38.5초의 약19.6%에 해당되며, 공구 이송속도를 기존의 속도보다 빠르게 변경하면, 디버링 공정으로 인해 야기된, 가공 시간이 단축되 고, 전체 제품 생산 수율이 상승할 수 있는 이점을 가질 수 있다.

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실험 조건

Parameter #1 Parameter #2 Parameter #3 Parameter #4

공구의 날수 (F) 1 2 3 N/A

Chip Pocket의 크기 (%) 100 80 60 N/A

이송 속도(mm/min) 150 250 350 550

제 2 절 실험 계획 수립

1. 실험 계획

이번 논문에서 가공 실험은 현장에서 사용하는 조건과 가장 유사한 조건을 만들기 위해서, 엔드밀(제작 업체는 국내의 N 社)공구와, CNC 라우터 설비(모 델명은 QL-3636이며, 실험에 필요한 20,000RPM의 공구 회전을 실시 할 수 있는 설비) 설비와 공구 동력계(모델명은 KISTLER_9256C2이며, 250N까지 의 부하를 측정할 수 있음)를 이용하여 실시한다. 가공 실험은 공구가 받는 공 구 부하량을 기준으로 하여, 구멍의 가공 시 발생하는 부하량을 확인하는 것을 주요 목적으로 실시한다. 이를 위해서 우리는 실제로 현장에서 사용하는 소재 와, 같은 조건의 공구, 가공 프로그램을 고려하여 실험을 진행 한다.

회사에서 현재 사용하고 있는 공구와 가공 조건을 기준으로 하여 각 항목별 로 조건 값을 변경하여 공구를 제작하고, 실험을 진행하였다. 공구의 회전수는 회사에서 사용 중인 20,000RPM을 기준으로 하고, 공구의 이송속도는 250mm/min을 기준으로 하였다. 또한 공구는 2날 초경 엔드밀을 기준으로 하 였다.

초기 실험 계획은 아래의 표 1과 같고, 그림 1은 실험 설비의 형상을 나타내 고 있다.

표 1 실험 조건표

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그림 1 실험 장치 계략도

또한, 아래와 같이 실험 기구를 세팅하여, 실험에 임하였다. 먼저, 설비의 주 축에는 엔드밀 공구를 장착하고, 설비의 테이블 면에는 공구 동력계를 고정한 뒤, 공구 동력계의 상면에 가공을 위한 시편을 채결한다.

이때, 공구는 시편의 상면을 기준으로 하여 원점을 설정하고, 가공 깊이를 4.5mm를 설정하여, 4mm 두께의 제품을 관통하여 0.5mm 공구가 돌출되도록 한다.

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장 비 명 : CNC Router 모 델 명 : QL-3636

장비 제원 : Working Area xyz (360mm x 360mm x 120mm) Positioning Accuracy (0.02/300mm)

Spindle Speed (6,000 ~ 24,000 rpm) Max. carving Rate (3,000mm/min)

그림 2 실험에 사용된 라우터 설비 외부 그림 3 실험에 사용된 라우터 설비 내부 2. 사용 설비 현황

이번 논문에서 가공 실험은 현장에서 사용하는 조건과 가장 유사한 조건을 만들기 위해서 엔드밀 공구와 CNC 라우터 설비, 공구동력계를 이용하여 실험 을 진행하였다.

표 2 CNC 라우터 설비 사양

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그림 4 공구 동력계

먼저, CNC 라우터 설비는 사내에서 제품을 가공하는 조건을 맞출 수 있는 라우터 설비를 사용하였다. 설비 선정 기준은 20,000rpm의 공구 회전수를 충 족시킬 수 있어야 하며, 공구의 샹크가 4~6.0mm의 공구를 장착할 수 있는 설 비로 선정하였다. 실험에 사용된 라우터 설비의 세부 사양은 위의 표 2와 같 다.

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그림 5 NC Studio UI

공구가 시편을 가공할 때 받는 부하를 측정하기 위하여, 공구 동력계 (Dynamometer)를 설치하여 사용하였다. 공구 동력계는 0~50N 수준의 공구 부하를 측정할 수 있어야 하며, 시편을 고정할 수 있는 형상을 가지고 있어야 한다. 실험에 사용된, 공구 동력계의 사양은 위의 표 3과 같다.

마지막으로 실험에 사용된 기자재 중, 가공 프로그램을 작성하고, 설비를 운 용할 프로그램으로 위의 그림 5와 같이 NC Studio를 사용하였다. 기본적으로 프로그램은 G코드와 M 코드를 이용하여 작성하였으며, 프로그램의 움직임은 회사에서 제품을 가공하는 것과 동일한 RPM과 이송속도를 기준으로 한다.

위의 그림 5에서 표시된 ①에는 설비의 기본 이송 좌표 및 속도를 설정할 수 있게 되어 있으며, ②에는 프로그램의 구동 시 공구 이송 경로 및 프로그램 수정이 가능하도록 구성되어 있다. 또한 ③에서는 현재 가공 중인 프로그램이 표현되어 있다.

③

①

②

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그림 6 시편 형상

Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Sn Ti Pb

3. 사용 소재

엔드밀을 이용한 종 방향 이송 가공 조건을 회사에서 실제로 가공하는 방식 과 동일하게하기 위하여, 아래 그림 6과 같이 소재를 제작하였다. 소재는 앞서 말한 것과 같이, 최대한 동일한 성분을 유지하기 위하여 회사에서 실제로 사용 하고 있는 소재의 원재료인 표 4와 같은 규격의 ALDC 6.1 잉곳을 직접 구매 하여 절단, 시편을 제작하였으며, 1개의 시편에 225개의 구멍을 가공하여, 측 정 및 분석 시 오차의 발생을 최소화 하도록 하였다.

표 4 소재의 규격 (단위 : wt%) 재질 : ALDC 6.1

소재 규격 (SPEC. )

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그림 7 엔드밀의 측면 형상

그림 8 엔드밀의 날수에 따른 정면 형상 4. 사용 공구

현장에서 사용하는 공구와 날의 각도, 날장, 등 기본적인 형상을 동일하게 제 작하고, 실험에서 Parameter로 선정한 날수, Chip Pocket의 크기만 변경하여 공구를 제작하였다.

칩 포켓은 칩 룸이라고도 부르며, 절삭 가공 중에 발생되는 칩을 배출하는 공간을 말한다. 일반적으로 날 수가 적을수록 칩 포켓이 커지게 되며, 칩 포켓 이 크면, 칩 배출이 양호하지만, 공구의 단면적이 작아지므로, 공구의 강성이 저하되게 된다. 마찬가지로, 공구의 날 수가 많아지는 경우에서는 칩 포켓의 크 기가 작아지므로, 칩 배출 능력은 저하되나, 공구의 단면적이 커지게 되어, 강 성이 좋아지는 특징이 있다.

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제 3 장 공구에 따른 가공 부하 실험

제 1 절 실험 방법

이 프로젝트에서는 앞서 실험 계획이서 설명한 바와 같이 CNC 라우터 설비 와, 다양한 형상의 엔드밀 공구를 이용하여 실험을 진행하였다. 또한 공구 동력 계를 이용하여 가공이 이루어질 때 발생하는 Z축 하중 값을 관찰하여, 최적의 조건을 찾는 방식으로 실험을 진행하였다.

먼저, 기준 공구를 이용하여 공구 이송속도 별 부하값이 나타나는 현상을 확 인 한 뒤, 첫 번째 실험에서는 칩 포켓은 동일하게 고정한 뒤, 날 수를 변경하 여 부하값의 변화량을 확인하고, 두 번째 실험에서는 날 수를 고정한 뒤, 칩 포 켓의 크기를 변경하여 칩 포켓의 크기에 따른 가공 부하량을 확인하는 실험을 추가로 진행하였다.

이 두 가지 항목을 구분하여 실험하는 것은 날 수 또는 칩 포켓의 크기에 따 른 부하량 변화를 구분하기 위함이며, 일반적으로 나오는 공구의 날 수와 칩 포켓의 크기는 다양한 형상 가공을 가능하도록 제작되는 형상이기 때문에 이번 실험에서 적용할 엔드밀의 수직가공에는 최적화된 형상이 아닐 수 있기 때문이

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Parameter #1 Parameter #2 Parameter #3

공구의 날수 (F) 2

칩 포켓의 크기 (%) 100 80 60

표 5 칩 포켓의 크기별 실험 계획

그림 9 공구의 칩 포켓을 변화시켜 가공한 결과

제 2 절 실험 결과

먼저, 칩 포켓의 크기와, 공구의 날수가 절삭 부하에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 각각 설정한 조건별로 조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 하나의 설 정 값을 변경하여 실험을 진행할 때는 나머지 조건은 동일하게 하여, 결과의 분석을 용이하도록 하였다.

먼저, 동일한 날 수를 기준으로 칩 포켓의 크기를 변경하여 실험을 진행하였 다. 조건은 아래 표 5와 동일하다.

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Parameter #1 Parameter #2 Parameter #3

칩 포켓의 크기 (%) 100%

공구의 날수 (F) 1 2 3

표 6 공구의 날수에 따른 실험 계획

위의 표 5의 칩 포켓 크기에서 100%는 1날 공구의 일반적인 칩 포켓크기를 이야기 하며, 그것을 기준으로 80%, 60%의 크기로 칩 포켓의 크기를 조절하 였고, 그 결과 위의 그림 9의 그래프와 같이 결과가 나타나는 것을 볼 수 있 다.

위의 그림 9와 같이 그래프를 보면, 칩 포켓의 크기에 따라 공구의 절삭 부 하가 어떻게 변화되는지를 확인할 수 있다. 3가지 실험의 데이터를 취합하여, 비교한 결과, 칩 포켓의 크기가, 큰 경우, 절삭 부하가 가장 작은 것을 알 수 있으며, 칩 포켓의 크기에 반비례하여 칩 포켓의 크기가 작을수록 절삭 부하가 증가하는 것을 볼 수 있다.

또한 두 번째로, 위의 표 6과 같이 칩 포켓을 동일하게 한 뒤, 공구의 날수 (F)를 변경하여 실험을 진행하였다. 위와 같이 조건을 변경하여 실험을 진행한 결과, 아래 그림 10과 같은 결과를 나타내는 것을 볼 수 있다.

(25)

그림 10 공구의 날수를 변화시켜 가공 결과

위의 2가지 실험을 취합하여 결과를 비교하면, 엔드밀의 수직이송 가공의 경 우, 공구의 날 수에는 절삭 부하가 큰 관계가 없으며, 공구의 칩 포켓 크기에 따라서 절삭 부하가 변화되는 것을 볼 수 있다. 각 조건별로 실험 결과, 공구의 날 수에 따른 공구 부하와 칩 포켓 크기에 따른 공구 부하는 아래 표 7과 8, 그림 8과 9와 같은 것을 알 수 있었다.

공구의 칩 포켓의 크기에 따른 가공 부하 실험 결과, 표 7과, 그림 11과 같이 공구의 칩 포켓을 1날 공구 제작 기준인 100%에서 80%, 60%로 줄였을 때, 가 공 부하가 증가하는 현상을 볼 수 있었으며, 거의 선형적인 형상을 보이는 것 을 확인할 수 있다.

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칩 포켓의 크기에 따른 공구 부하 (N)

칩 포켓의 크기 (%) 가공시 공구 부하량 (N)

100% 16.433

80% 18.844

60% 22.407

표 7 칩 포켓의 크기에 따른 공구 부하 비교

그림 11 칩 포켓의 크기에 따른 공구 부하 비교

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날수에 따른 공구 부하 (N)

공구의 날수 (F) 가공 시 공구 부하 (N)

1날 16.427

2날 16.433

3날 16.451

표 8 공구의 날 수에 따른 공구 부하 비교

그림 12 공구의 날수에 따른 공구 부하 비교

위의 실험 결과로 확인했을 때, 공구 제작 시, 공구의 칩 포켓의 크기를 가 능한 한 크게 제작하고, 그에 따라 날 수를 줄이는 것이 절삭 부하를 감소시키 는데 유효한 효과를 나타낼 것으로 보여 진다. 이에 따라 기존에 실험 조건내 의 최적의 조건인 1날 공구와 칩 포켓의 크기를 100% 로 선정하고, 공구 이 송속도에 따른 2차 실험을 진행하였다.

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드릴링 공정 이송 거리 (mm) 이송 속도 (mm/min) 공정 시간 (s)

G01 Z-1.5 F250 ; 4.5 250 1.08

G00 Z3. ; 4.5 6,000 0.045

G01 Z-3. F250 ; 6 250 1.44

G00 Z3. ; 6 6,000 0.06

G01 Z-4.5 F250 ; 7.5 250 1.8

G00 Z3. ; 7.5 6,000 0.075

표 9 제품 제조 시간 계산 과정

공구의 이송속도를 통해 생산 수율을 증가 시키는 것은, 공구를 고정하고 있 는 공구대가 어떤 속도로 이동하느냐에 따라 1개의 제품을 가공하는데 소요되 는 제품 당 제조 시간이 결정되기 때문이다. 제품 당 제조 시간을 측정하기 위 해서는 각 공정을 구성하고 있는 step별로 이송시간을 계산하는 것으로 확인할 수 있다. 현재 실험에 적용하기 위한 공정의 프로그램 및 공구 이송 시간을 측 정한 결과는 아래 표 9와 같다. 공구 이송 속도에 따른 제품 제조 시간 및 기 존 제품 가공 시 소요되는 제조 시간과의 차이는, 아래 표 10 와 같다. 급속 이송 속도는 6,000mm/min으로 일정하게 설정하고, 공정 이송속도는 250mm/min으로 일정하다.

위의 표 9와 같은 계산 과정으로 공정의 시간을 계산하면, 드릴링에 소요되 는 시간이 4.5초, 디버링에 사용되는 시간인 1.6초를 합쳐 총 6.1초의 시간을 사용하는 것을 확인할 수 있다.

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공구 이송 속도에 따른 드릴링 공정 시간 (기준 공정 시간 : 6.1sec) 공구 이송 속도 (mm/min) 공정 시간 (s) 고정 시간 증감 량 증감 여부

50 23.38 +17.28 증가

150 8.98 +2.88 증가

250 6.1 0 동일

350 4.8 -1.3 감소

450 4.18 -1.92 감소

550 3.75 -2.35 감소

650 3.45 -2.65 감소

750 3.2 -2.9 감소

850 3.05 -3.05 감소

표 10 공구 이송속도에 따른 제품 제조 시간 변화량

위의 그림 21과 같이, 공구의 이송속도가 350mm/min 수준까지는 특이사항 없이 20N 수준의 부하에서 가공을 이뤘지만, 공구 이송 속도를 550mm/min 수준으로 높이자, 급격히 공구의 절삭 부하가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또 한 그림 20과 같이 공구 이송속도를 750mm/min의 수준까지 공구 이송 속도 를 향상 시키자, 전체 225개의 구멍 중, 130개의 구멍을 관통한 뒤 공구가 파 손되는 현상을 나타내었다.

(30)

그림 13 공구 이송 속도가 50mm/min 일 때의 공구 부하

(31)

(32)

(33)

(34)

그림 21 공구 이송 속도별 공구 부하 종합

또한 공구 이송 속도가 빨라질수록, 각 구멍 당 절삭 부하의 편차가 커지는 현상을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 공구 이송속도가 550mm/min과 660mm/min, 750mm/min 수준으로 높아진 실험에서는, 앞서 350mm/min 이 하의 조건에 비해서 가공 부하의 편차가 상당히 높은 것을 그림 21의 그래프 에서 확인할 수 있다.

이번 실험 조건에서 확인한 결과, 표 11 그리고 그림 17 과 같이 공구의 절

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공구 이송 속도에 따른 절삭 부하(N)

공구 이송 속도 (mm/min) 공구 절삭 부하 (N)

50 mm/min 12.42

150 mm/min 19.34

250 mm/min 18.23

350 mm/min 18.87

450 mm/min 41.02

550 mm/min 52.38

650 mm/min 50.83

750 mm/min 51.67

그림 22 공구 이송 속도별 평균 절삭 부하 표 11 공구 이송 속도별 평균 절삭 부하

(36)

제 3 절 분산 분석을 이용한 데이터 검증

위와 같이 실험으로 나타낸 결과 값의 유의미성을 확인하기 위하여, 분산 분 석(Analysis of Variance:ANOVA)을 진행하여, 귀무가설의 성립 유무를 확인 하였다. 분산 분석은 비교하고자 하는 항목이 3개 이상인 경우, 항목들의 평균 을 비교 및 분석하는 기법이다. 분산 분석은 측정하려는 값에 영향을 주는 항 목들의 수에 따라 구분되어 지는데, 이번 실험의 경우, 각 항목별로 분석을 실 시하였기 때문에 일원분산분석(One-way ANOVA)을 실시하여 검증을 실시 하였다.

일반적으로 일원분산분석은 귀무가설 및 대립가설은 아래와 같이 설정한다.

H0=μ1=μ2=μ3=μ4=μ5=…=μa=0 H1=모든μi는 같지 않다. i=1,2,3,4,…,a

귀무가설(H0)은 모평균이 모두 같다는 것을 나타내며, 대립가설(H1)은 위와 같이 모든μi는 같지 않다 또는 μi가 모두 0이라고 할 수 없다고 말하는 가설 이다.

따라서 귀무가설이 성립하는 조건에서는 인자가 되는 항목들과, 변동 값과의 관계가 독립적인데 비해, 귀무가설이 기각되어 대립가설이 성립하는 조건에서

(37)

인자의 수준 관측수 합 평균 분산

1날 75 1232.0 16.427 23.711

2날 75 1232.5 16.433 5.153

3날 75 1233.8 16.451 7.771

표 12 ANOVA 분석 요약표 – 공구의 날수에 따른 분석

변동의 요인 제곱합 자유도 제곱 평균 F비 P-값 F 기각치

처리 0.023 2 0.012 0.001 0.999 3.037

잔차 2710.941 222 12.211

계 2710.964 224

표 13 ANOVA 분산 분석 – 공구의 날수에 따른 분석

먼저, 각 공구의 날수와 공구 절삭 부하간의 관계로 귀무가설을 세워 보면,

“공구의 날수가 변하여도 공구 절삭 부하가 달라지지 않는다.” 라고 할 수 있다. 이것은 공구의 날수와 공구 절삭 부하가 서로 독립이라는 것을 보여주고 있는 항목이다.

여기서 공구의 날수에 따른 공구 절삭 부하 데이터를 일원 배치 분산분석법 으로 분석한 결과, 아래 표 12와 표13와 같은 결과를 나타내는 것을 볼 수 있 다. 분석에서는 유의수준을 5%로 지정하였으며, 표 13에서 나타나는 P-값으 로 비교해 본 결과, 유의 수준인 0.05보다 큰, 1.00이 나타나므로, 귀무가설을 기각할 수 없다. 따라서, 앞선 그림12와 같이 공구의 날수에 따른 공구 절삭 부하와의 관계가 없다는 것을 확인 할 수 있다.

두 번째로, 공구의 칩 포켓 크기의 변화와 공구 절삭 부하간의 관계로 귀무 가설을 세워 보면, “공구의 칩 포켓 크기가 변하여도 공구 절삭 부하가 달라 지지 않는다.” 라고 할 수 있다. 이것은 공구의 칩 포켓 크기와 공구 절삭 부 하가 서로 독립이라는 것을 보여주고 있는 항목이다.

(38)

100% 75 1232.5 16.433 5.153

80% 75 1413.3 18.844 19.811

60% 75 1680.5 22.407 19.461

표 14 ANOVA 분석 요약표 – 칩 포켓의 크기에 따른 분석

처리 154.615 2 677.308 45.738 2.32E-17 3.037

잔차 3287.438 222 14.808

계 4642.054 224

표 15 ANOVA 분산 분석 – 칩 포켓의 크기에 따른 분석

여기서 공구의 칩 포켓의 크기에 따른 공구 절삭 부하 데이터를 일원 배치 분산분석법으로 분석한 결과, 아래 표 14와 표15와 같은 결과를 나타내는 것 을 볼 수 있다. 분석에서는 유의수준을 5%로 지정하였으며, 표 15에서 나타나 는 P-값으로 비교해 본 결과, 유의 수준인 0.05보다 작은, 2.32E-17이 나타 나므로, 귀무가설을 기각할 수 있다. 따라서, 앞선 그림11과 같이 공구의 칩 포켓의 크기에 따른 공구 절삭 부하와의 관계가 있다는 것을 확인 할 수 있다.

마지막으로, 공구의 이송 속도의 변화와 공구 절삭 부하간의 관계로 귀무가 설을 세워 보면, “공구의 이송 속도가 변하여도 공구 절삭 부하가 달라지지

(39)

F50 75 931.2 12.416 4.687

F150 75 1450.3 19.337 9.815

F250 75 1367.2 18.229 18.740

F350 75 1415.4 18.872 20.819

F450 75 3076.8 41.024 49.234

F550 75 3928.6 52.381 67.393

F650 75 3812.5 50.833 62.633

F750 44 2273.26 51.665 181.330

표 16 ANOVA 분석 요약표 – 공구 이송 속도 차이에 따른 분석

처리 148814.7 7 21259.250 475.856 3E-231 2.026

잔차 25063.1 561 44.676

계 183877.8 568

표 17 ANOVA 분산 분석 – 공구 이송 속도 차이에 따른 분석

여기서 공구의 이송 속도에 따른 공구 절삭 부하 데이터를 일원 배치 분산분 석법으로 분석한 결과, 아래 표 16와 표17와 같은 결과를 나타내는 것을 볼 수 있다. 분석에서는 유의수준을 앞선 두 항목과 마찬가지로 5%로 지정하였으 며, 표 17에서 나타나는 P-값으로 비교해 본 결과, 유의 수준인 0.05보다 작 은, 3E-231이 나타나므로, 귀무가설을 기각할 수 있다. 따라서, 앞선 그림22 와 같이 공구의 이송 속도에 따른 공구 절삭 부하와의 관계가 있다는 것을 확 인 할 수 있다.

(40)

기존 사내 가공 조건 개선 가공 조건

공구의 날 수 (F) 2 1

칩 포켓의 크기 (%) 80 100

공구 이송 속도 (mm/min) 250 650

제 4 절 산업 현장 적용 결과

위의 실험 결과를 D社 사내에서 실제 가공 실험을 실시하였다. 아래 표 18 과 같이 실험에서 가장 공구 부하를 줄일 수 있는 조건으로 사내의 프로그램 및 공구를 변경하여, 제품을 실제 가공함에 있어 문제가 발생하는지 확인했다.

표 18 변경된 현장 가공 조건

적용 설비는 사내에서 가공하는 설비 중, 가동률이 낮은 설비를 대상호기로 선정하였으며, 기존의 공구 교체 이력을 기준으로 공구의 수명을 검토하였다.

엔드밀을 이용한 드릴링 공정은 앞서 말한 것처럼, 전체 38.3초의 공정 중, 6.1초의 시간을 사용하고 있는 공정이며 제품 당 1개의 구멍을 가공하게 된다.

실제 제품을 이용한 생산 수율 증감 및 공구 수명 변화량을 확인한 결과, 장 비의 생산 수율을 아래 표 19과 같이 연간 약 38,400개 수준의 제품을 추가 로 증량하여 설비의 효율을 7%정도 증가 시킬 수 있었으며, 공구 수명은 기존 대비 동일한 수준을 유지할 수 있었다.

(41)

제 4 장 결과 및 토론

제 1 절 결론

이번 논문에서 우리는 드릴이 아닌, 엔드밀을 이용한 수직 가공에서의 성능 을 개선하기 위한 방안을 제안하고, 실제로 실험, 현업에 적용함으로써, 그 성 능을 검증하였다. 이러한 과정은 소재의 진입부가 경사면이라 드릴을 이용한 가공이 어려울 때, 적용할 수 있는 컨셉을 적용하고 수율을 증가시킬 수 있는 방안을 찾는 것이 주요 목적이었다.

따라서 우리는 엔드밀의 요소들을 변경시키며 실험하고, 최적의 조건을 찾을 수 있도록 공구 동력계를 이용하여 소재 가공 시 수직 방향으로 나타나는 부하 량을 측정하여 경향을 파악하였다. 최종적으로 샘플의 실험 뿐 아니라 현업에 서도 시험 적용을 실시하여 생산 효율의 변화를 확인할 수 있었다.

D社는 자동차 부품 제조 기업으로써, 제품의 소품종 대량 생산을 전문으로 하는 업체이다. 이러한 기업에서 가장 중요한 부분은 고객과 회사의 이익을 위 해 원가를 절감하고, 생산 효율성을 증가시켜, 단가를 낮추는 일이다. 우리는 이번 프로젝트를 통해서 D社는 엔드밀을 이용한 종 이송 공정의 최적화 조건 을 개발함에 따라, 회사에 이익을 창출하고, 실험적 접근으로 문제를 해결하였 다. 기존에 생산되던 제품의 생산 수율을 11% 향상시킬 수 있는 성과를 거두 게 되었으며, 기존의 사용 방법인 드릴을 이용한 수직 이송 가공이나, 엔드밀을 이용한 형상 가공이 아닌, 엔드밀을 이용한 수직 이송 가공으로 경사진 입구부 의 안정적 가공을 도모하며 생산성을 향상 시킬 수 있는 방법을 찾을 수 있었 다.

(42)

제 2 절 향후 과제

이번 프로젝트에서는 실험을 통하여 엔드밀을 이용한 드릴링 가공 최적화 실 험을 진행하여, D社에서 진행하고 있는 가공의 최적 조건을 설정하는데 목적을 두고 진행하였다. 하지만, 칩 포켓의 크기나 공구의 날수에 따른 특성 비교는 하였지만, 시간적 여유의 부족으로 공구에서 만들 수 있는 최적의 칩 포켓의 크기는 확인할 수 없었다.

따라서 추후 우리는 공구의 칩 포켓의 크기와, 그에 따른 공구 단면적율의 변화가 가공 성능 및 공구의 부하에 미치는 영향을 파악하여, 알루미늄 소재에 서 종 방향 가공 시 엔드밀이 가질 수 있는 최적의 칩 포켓 크기와 단면적 비 율을 파악할 수 있도록 노력할 것이다.

또한 이번 실험은 D社의 제품 가공의 한 공정을 개선하기 위해 진행된 것이 므로 알루미늄 소재에만 국한하여 실험하였지만, 추후 소재를 알루미늄에 국한 하는 것이 아니라, 다양한 소재에서의 형상 기준을 설정하여, 공구 제작 시 규 격화된 공구를 만드는 것이 아니라, 소재와 가공 방법에 따른 형상을 최적화 할 수 있도록 노력할 것이다. 마지막으로 이러한 실험의 경향성을 파악하여 공 구 형상과 공구 수명의 상관관계를 수식화 하여 예상 교환 주기를 설정할 수 있도록 할 예정이다.

(43)

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(46)

Abstract

Evaluation of Chip Pocket Size of End-mill Tool on Aluminum Cutting

by Vertical Milling

Byeong-il Yang

Department of Engineering Practice

The Graduate School of Engineering Practice

Seoul National University

(47)

In the field of machining, end-mills and drills have been studied extensively and efforts have been made to identify and minimize tool loads.

In general, drills are tools for vertical drilling and end-mills have been studied mainly for horizontal milling. But there is not much studies on the vertical drilling with end-mill like a drill.

Therefore, in this study, we try to check the tool loads, according to the number of cutting edges and size of chip pocket in vertical drilling station with end-mills.

It is also aimed at proposing a tool feed speed which can improve the equipment yield required in the workplace, but which does not break the tool.

First, the machining conditions used in the experiment are the same in the field conditions. The CNC programs were programmed to check the loads on the tool and the material of the specimen was also made using the ALDC6.1 which is same as the material used in the field. The experiment proceeded in the laboratory, but brought the conditions of the field to the extent possible. It is to apply the results of the experiment to the field.

Also, the effect of the size of the chip pockets and the number of cutting edges of the end-mill on the cutting load in the vertical drilling process was examined using a dynamometer.

And, ANOVA analysis was used to confirm that the experimental data are significant data.

We have also found work conditions that can further improve the yield of equipment in the conditions used on the field. And we also took the data from the laboratory to the field and confirmed the effect when applied to the field.